RETROANÁLISE DO REVESTIMENTO PRIMÁRIO DE UMA ESTRADA DE TERRA E
COMPARAÇÃO COM O MÉTODO DE DIMENSIONAMENTO PROPOSTO PELO
PROGRAMA DE ASSISTÊNCIA AO TRANSPORTE DA DAKOTA DO SUL
RETROANALYSIS OF UNSURFACED GRAVEL ROADS OF AN EARTH ROAD AND
COMPARASION WITH DIMENSIONING METHOD PROPOSED BY THE SOUTH DAKOTA
LOCAL TRANSPORTATION ASSISTANCE PROGRAM
Rodrigo Winter Krause1, Flavio Alessandro Crispim2Resumo: Dos 1.563.391,3 km de extensão da malha rodoviária brasileira, ap roximadamente 86,4% não apresentam qualquer tipo de revestimento flexível ou rígido , denominadas estradas de terra. A literatura brasileira não apresenta métodos ou parâmetros técnicos para o dimensionamento dessas estradas, sendo necessário recorrer a métodos internacionais. Desta forma, o estudo em questão, tem por objetivo analisar o comportamento mecanístico da plataforma de uma estrada de terra, tendo como objeto de estudo a estrada Nanci, no município de Sinop-MT, por meio de um processo de retroanálise, seguida da comparação dos valores obtidos por meio do dimensionamento proposto pelo Programa de Assistência ao Transporte da Dakota do Sul (SD LTAP). As estratégias metodológicas adotadas foram: ensaios in loco, consultas bibliográficas e simulações computacionais. Após a coleta, e análise do dados, conclui-se que dos valores obtidos por retroanálise, os 9 possíveis perfis apresentaram dimensões inferiores às calculadas pelo método do SD LTAP, mostrando coerência com o elevado grau de deterioração encontrado em campo para um período de projeto de 12 meses.
Palavras-chave: revestimento primário; estradas de terra; viga benkelman.
Abstract: Of the 1,563,391.3 km of the Brazilian road network, approximately 86.4% do not have any type of flexible or rigid lining, unsurfaced gravel roads. The Brazilian literature does not present methods or technical parameters for the sizing of these roads, being necessary to resort to international methods. Thus, this study aims to analyze the mechanistic behavior of a dirt road platform , taking as its object of study the Nanci Road, in the municipality of Sinop-MT, and through a back-analysis process, followed by comparison of the values obtained through the sizing proposed by the South Dakota Local Transportation Assistance Program (SD LTAP). The methodological strategies adopted were: in loco essays, bibliographic consultations and computer simulations After collecting and analyzing the data, it is concluded that the values obtained by back analysis , the 9 possible profiles presented smaller dimensions than those calculated by the SD LTAP method , showing consistency with the high degree of deterioration found in the field over a 12 month project period.
Keywords: unsurfaced gravel roads; earth roads; benkelman beam.
1 Introdução
Dados do Banco Mundial de 2010, apotam que entre as maiores econômias mudiais, o Brasil é o mais dependente do modal rodoviário. O relatório gerencial da Confederação Nacional do Transporte (CNT) de 2016 indica que a matriz de tranportes de carga 61,1% é feita por rodovias. Além de ser o principal responsável pela integração de todo o sistema de transportes, contribuindo para o desenvolvimento socioeconômico.
O anuário divulgado pela CNT indica que em 2017 contava-se com mais de 1,5 milhão de quilômetros de rodovias, sendo 86,4% desprovidas de qualquer tipo de revestimento clássico. Esse fato se deve a impossibilidade de recursos financeiros e logísticos para pavimentação de toda essa extensão, juntamente com despropósito de utilizar revestimentos mais nobres em vias com pequeno volume de tráfego . As estradas de terra também podem ser denominadas estradas de chão, estradas sem revestimento clássico ou estradas com revestimento primário. A camada que compõe a superfície de rodagem é denominada revestimento primário, Nervis (2018) afirma que a camada é composta de uma ou mais camadas de solo
compactado de um material granular com as características adequadas.
A manutenção dessas vias, na sua maior parte de responsabilidade das prefeituras, é feita por mão de obra sem conhecimento técnico, os operadores das máquinas. Nervis (2010) afirma que devido à falta de aprimoramento e difusão do conhecimento na área, a carência de técnicas na escolha de materiais e soluções para o revestimento primário de estradas não pavimentadas refletem em implantação de estradas de pouca durabilidade e baixo conforto para o usuário. Refletindo em desperdícios financeiros e impactos ambientais excessivos.
O dimensionamento das camadas que compõem a plataforma das estradas é feito por métodos empíricos. Existem diversas bibliografias para o dimensionamento no caso de pavimentos betuminosos ou cimentícios. Mas no caso das estradas de terra a literatura brasileira não apresenta métodos consolidados, apenas pesquisas pontuais. Para sanar essa lacuna e oferecer parâmetros mais apurados para determinar a espessura das camadas de uma estrada de terra, Baesso e Gonçalves (2002) citam o método desenvolvido pelo Programa de Assistência ao Transporte da Dakota do Sul (SD LTAP).
Analisou-se o comportamento mecanístico de uma estrada de terra através de ensaios in loco, juntamente com uma retroanálise. Posteiormente, com os parâmetros obtidos, a estrada foi dimensionada 1
Graduando, Universidade do Estado de Mato Grosso, Sinop-MT, Brasil, rodrigo.krause@unemat.br
2
Professor Doutor, Universidade do Estado de Mato Grosso, Sinop-MT, Brasil, flavio.crispim@unemat.br
utilizando o método do SD LTAP. Essa mesma estrada ja foi objeto de estudo de Junior e Dalla Riva (2017) que avaliaram as condições da estrada pelo método ICRNP (Índice de Condição da Rodovia Não Pavimentada). Outra pesquisa antecessora a essa foi a de Gatto e Dalla Roza (2015) que aplicou o método SD LTAP utilização correlações com o Índice de Suporte Califórnia para obter o módulo de resiliência do solo.
2 Fundamentação Teórica
2.1 Rodovias brasileiras
Segundo o anuário CNT, em 2017 a malha rodoviária brasileira possuía 1.563.391,3 km de extensão, sendo 86,4% (1.349.938,5 km) de estradas não pavimentadas e apenas 13,6% (213.452,8 km) de estradas pavimentadas. O estado de Mato Grosso segue aproximadamente a mesma proporção do âmbito nacional, sendo, segundo o mesmo anuário, 87,0% da malha estradas não pavimentadas e 13,0% das rodovias pavimentadas de um total de 62.464,6 km de rodovia.
Dados da CNT indicam o modal rodoviário como o responsável por 55,2% do PIB gerado pelo setor de transportes no ano de 2014, sendo 36,2% oriundos do transporte de cargas e 19,0% do transporte de passageiros. O modal rodoviário representa 61,1% dos transportes de carga, se forem excluídos os produtos primários (minerais e agrícolas) essa fração ultrapassa os 80,0%.
2.2 Rodovias sem revestimento clássico
Rodovias desprovidas de qualquer revestimento clássico, tanto de materiais betuminosos (pavimento flexível), quanto cimentícios (pavimento rígido), ou qualquer tipo de calçamento, podem ser denominadas como estradas de terra, estradas de chão, estradas sem revestimento clássico ou estradas com revestimento primário. Carvalho (1992) afirma que a concepção dessas vias está ligada ao aproveitamento de trilhas e caminhos preexistentes, ocasionando defeitos geométricos como rampas com alta inclinação e curvas de pequenos raios. As rodovias não pavimentadas podem ser divididas em dois grupos, aquelas em que à superfície de rodagem é composta pelo leito natural e as que são constituídas pelo subleito e uma camada de revestimento primário (material granular), sendo essa a superfície de rodagem. Ao contrário das rodovias pavimentadas, a superfície dessas rodovias não é impermeável, tornando suas condições de drenagem vitais para manutenção de uma boa condição de tráfego nos períodos de chuva, pois os pontos de acúmulo de água comprometem sua plataforma (Demarchi et al, 2003). Segundo Baesso e Gonçalves (2003) 84% da malha rodoviária brasileira está sob tutela dos municípios, a administração dessa imensa rede é feita com um orçamento escasso, tornando a manutenção um aspecto de segundo plano. Oda (1995) aponta alguns aspectos essenciais para estradas não pavimentadas: a largura da faixa de rolamento deve ser capaz de comportar o tráfego da região, o revestimento primário deve apresentar capacidade de carga suficiente para evitar deformações excessivas e a estrada também deve conter um sistema de drenagem para providenciar o escoamento da água para fora do corpo estradal, prevenindo ações erosivas. Essa drenagem também
depende da inclinação da pista de rodagem, que deve ser de 3 a 4%, para induzir o fluxo das águas pluviais até os dispositivos de drenagem na borda da pista, as sarjetas, porém devido à falta de conhecimento técnico esse é um aspecto negligenciado. Baesso e Gonçalves (2003) apresentam uma ilustração com a configuração ideal da seção transversal de uma via não pavimentada (Figura 1).
Figura 1 – Seção Transversal. Fonte: Baesso e Gonçalves, 2003.
As estradas não pavimentadas fazem a ligação entre as propriedades rurais e as empresas agrícolas, tornando sua trafegabilidade fundamental para o escoamento da produção agrícola e recebimento de insumos (MATHEUS, 2002 apud FERREIRA, 2004). Principalmente em países em desenvolvimento, como o Brasil, em que boa parte de sua riqueza vem da produção de produtos primários. Segundo Nervis (2016) as estradas não pavimentadas permitem o acesso das comunidades rurais aos serviços de educação e saúde, sendo fundamental a boa condição de trafegabilidade dessas vias para o desenvolvimento socioeconômico de determinadas regiões.
Por se tratarem de vias com baixo volume de tráfego e de velocidade diretriz baixa, no processo de implantação de uma via não pavimentada, o traçado retilíneo não é prioridade. O principal aspecto é o custo de implantação, onde o traçado busca minimizar a necessidade de implantação de obras de arte (NERVIS, 2016). Esses fatores fazem com que o principal determinante para o eixo da estrada seja o terreno natural, seu relevo e corpos hídricos.
2.3 Definição e considerações sobre o revestimento primário de vias não pavimentas
O DER/PR (2018) define revestimento primário como uma camada granular composta de agregados naturais ou artificiais que é aplicada sobre o reforço ou diretamente sobre o subleito compactado e regularizado em rodovias não pavimentadas. Sua função é fornecer boas condições de rodagem, garantindo características menos suscetíveis a condições climáticas adversas. Nervis (2016) afirma que o revestimento primário deve ser executado sobre um subleito compactado, com a escarificação do mesmo caso a aderência entre as camadas não seja satisfatória. Além disso o material do revestimento deve ser espalhado em uma altura de no máximo 20cm para garantir uma compactação adequada, induzindo seu abaulamento durante o processo de espalhamento para garantir condições de drenagem adequadas. A importância da compactação é inquestionável na literatura, Peraça (2007) afirma que a compactação prolonga a vida útil do revestimento, conferindo -lhe durabilidade e melhora no desempenho, pois
proporciona aumento de resistência e redução da deform abilidade.
Para garantir as boas condições de rodagem, o material escolhido para compor a camada de revestimento primário deve possuir algumas características geotécnicas, entre elas uma granulometria contínua (bem graduado).
No manual do Departamento Nacional de Infraestrutura de Transporte - DNIT (2005) tem -se que a manutenção de estradas não pavimentadas é economicamente viável para um volume médio diário de 200 a 300 veículos. Para fluxos de veículos mais intensos torna-se vantajosa a pavimentação, pois as jazidas economicamente viáveis serão escassas e o custo de operação dos veículos será reduzido.
Para escolha do material utilizado no revestimento primário, o DNIT (2005) estabelece especificações pertinentes que devem ser atendidas e, alternativamente, fornece a Tabela 1 que pode ser usada como critério para definição do material, excluindo-se qualquer solo que apresente expansão maior que 2%.
Tabela 1 - Características dos Materiais de Revestimento Primário Descrição Granulometria IP C o m p o rt a m e n to D Máx mm % passante N°10 2,0 mm N° 40 0,425 mm N°200 0,075 mm Cascalho origem vulcânica 25 49 38 24 17 Bom Cascalho quartzo 24 58 45 24 9 Bom Cascalho laterítico 22 51 42 26 10 Bom Fonte: DNIT 2005.
Baesso e Gonçalves (2003) afirmam que o ideal é que o material do revestimento seja formado por agregados graúdos, areia e finos. Os autores ainda afirmam que os finos têm papel crucial no preenchimento dos vazios da mistura que é formada pelo material de maior granulometria, e estes têm a função de fornecer a capacidade de suporte necessária para suportar os esforços provocados pelos veículos pesados nas estradas. Por fim, também deixam claro a importância das argilas na mistura, que funcionam como um aglutinante, cimentando as frações de agregados, preenchendo os vazios e conferindo uma boa densidade à mistura, além de diminuir o carregamento dos finos pela ação do tráfego ou intempéries. Geralmente a qualidade dos materiais encontrados nas jazidas próximas às estradas são precárias em relação aos aspectos necessários para construção de uma estrada, por se tratar de um país de clima tropical, é comum que os solos brasileiros não tenham granulometria contínua. Uma alternativa para solucionar a deficiência de suporte do solo é a estabilização granulométrica, a norma DNIT 2010 define estabilização granulométrica como a melhoria da capacidade de carga de materiais “in natura” com mistura de dois ou mais materiais, mediante a adequada compactação, resultando em um produto
melhor que o inicial, com propriedades adequadas de estabilidade e durabilidade conforme os parâmetros utilizados.
2.4 Método de dimensionamento do revestimento primário
No Brasil a técnica mais difundida como solução para minimizar os defeitos em estradas de terra é o encascalhamento. Guedes et al (2014) definem o engulhamento como cravação de material granular grosseiro no subleito através da compactação, e o encascalhamento como o lançamento e espalhamento do material granular sobre o leito natural. No entanto os autores não recomendam as duas técnicas apresentadas, pois apresentam pouca durabilidade e baixa eficiência técnica, fato que pode ser atestad o empiricamente por frequentadores de estradas não pavimentadas.
Como a manutenção de estradas não pavimentadas é feita sem embasamento técnico e de forma empírica, a literatura sobre o assunto é limitada. A literatura brasileira é desprovida de parâmetros que ofereçam aos profissionais da área confiabilidade para determinar as espessuras de revestimento que suportem as ações do tráfego (Baesso e Gonçalves, 2003).
Uma bibliografia internacional consolidada para suprir a falta de referências nacionais é o manual norte americano intitulado “Gravel Road Thickness Design Methods” desenvolvido pela SD LTAP e divulgado em
novembro de 2000. Guedes et al (2014) explana os três métodos de dimensionamento da espessura do revestimento primário encontrados nesse manual, dos quais os autores recomendam apenas um por julgarem seus parâmetros relativamente complexos e apurados. Por questão de praticidade apenas o método recomendado pelos autores será utilizado no presenta trabalho.
2.5 Método desenvolvido pelo programa de assistência ao transporte local da Dakota do Sul
O método é descrito no Apêndice A do manual “Gravel Road Thickness Design Methods” (Skorseth e Selim,
2000). Através desse método pode-se avaliar a quantidade de materiais para construção do corpo estradal, possibilitando confecção de um orçamento e prever o período em que se fará necessária a manutenção da plataforma construída.
Para utilização do método proposto, alguns parâmetros de entrada são necessários, sendo eles:
• Futuro tráfego previsto – FTP; • Módulo resiliente do subleito – MRS; • Efeito da duração do clima na região – EDCR; • Módulo resiliente dos materiais das camadas
de base e sub-base;
• Perda de serventia da superfície da estrada – PS;
• Condições admissíveis da superfície da estrada – CASE;
2.5.1 Futuro tráfego previsto – FTP
O pavimento é calculado justamente para suportar as solicitações dos esforços provocados pelo tráfego. Como os tipos de veículos que trafegam em uma rodovia são diversos, adota-se um eixo equivalente de carga. O dimensionamento é feito em função do número N, que é dado pela Equação 1 (DNIT, 2006),
equivalente ao número de operações do eixo simples padrão de 80,4 kN (18.000 lb) durante o período de projeto preestabelecido. Guedes et al (2014) apresentam a ilustração do eixo simples padrão.
Figura 2 - Eixo padrão rodoviário. Fonte: Guedes et al, 2014. O FTP é o volume de tráfego previsto no horizonte de projeto e claculado conforme a Equação 1 (DNIT, 2006).
𝑉 = 365 ∗ 𝐹𝑉 ∗ 𝑉𝑀𝐷 ∗ 𝑃 (Equação 1)
Onde:
• FV: fator de veículo. • VMD: volume médio diário. • P: período de projeto. 2.6.2 Módulo resiliente do subleito
Os pavimentos são submetidos a esforços do carregamento provocado pelo tráfego, que resultam em uma deflexão, essa solicitação possui uma duração muito curta e é de caráter cíclico devido a constante passagem dos veículos. Parte desse deslocamento é permanente, outra parte é recuperada quando a solicitação é cessada (Bernucci et al, 2010).
O módulo de resiliência (MR) é uma propriedade que depende da natureza do material. Guedes et al (2014) define MR como a relação das tensões atuantes em um corpo de prova e as respectivas deformações verticais recuperáveis. O módulo de resiliência pode ser obtido por ensaio triaxial de carga repetida, retroanálise das deflexões medidas em pavimentos experimentais ou através de consulta a literatura (Nevis, 2016).
Para o ensaio triaxial o corpo de prova (CP) deve ser moldado na relação 2:1 (altura:diâmetro) e submetido ao ensaio com tensão confinante (σ3) e tensão desvio (σd). O MR é influenciado principalmente pela energia de compactação do CP, teor de umidade e granulometria (MEDINA e MOTTA, 2015). Além desses, o MR também varia conforme os estados de tensões utilizados no solo (σ3 e σd). Para determinação do MR podem ser encontradas diversas formulações na literatura. Segundo Macêdo (1996), o modelo estatisticamente mais aceitável é conhecido no Brasil como modelo composto (Equação 2).
𝑀𝑅 = 𝑘1∗ 𝜎3𝑘2∗ 𝜎𝑑𝑘3 (Equação 2) Onde: • MR: módulo de resiliência. • σ3: tensão confinante. • σd: tensão desvio. • k1, k2 e k3: parâmetros experimentias. O coeficiente de determinação elevado não garante que o modelo seja o mais adequado para todos os tipos de solo.
2.6.3 Efeito da duração do clima na região
Um dos fatores que influenciam no desempenho de um pavimento, essencialmente em estradas de revestimento não clássico, é o clima da região, Silva (2003) aponta que todo estudo de comportamento e classificação do solo não são suficientes, pois os fatores climáticos geram grande variação no comportamento esperado de um solo. Baseando-se nas distintas características climáticas de cada região, Skorseth e Selim (2000) desenvolveram um quadro com as condições do subleito e seu período de duração, em meses. Gatto e Dalla Roza (2015) adaptaram esse quadro para o clima do Estado de Mato Grosso, admitindo que, durante as estações de outono e inverno, com duração de 5 meses o subleito encontra-se seco, e nos 7 meses restantes durante a primavera e no verão o solo encontra-se úmido. 2.6.4 Perda de serventia da superfície da estrada A serventia da estrada está relacionada ao conforto dos usuários que a transitam. O nível de serventia pode ser avaliado observando-se três aspectos: a segurança, o conforte e a economia (DNIT, 2006).
Guedes et al (2014) afirma que a serventia é o principal parâmetro para avaliação da necessidade de manutenção em uma via, determinando o estado da mesma com valores de 0 a 5, onde 0 representa uma situação intransitável e 5 indica perfeitas condições de tráfego.
A Serventia Terminal (ST) é a circunstância máxima que um motorista pode suportar, antes da degradação total da superfície de rolamento. Os valores de ST utilizados para estradas principais é de 2,5 e para vias com baixo volume de tráfego é 2,0 (Skorseth e Selim, 2000).
2.6.5 Condições adm issíveis da superfície da estrada Para o caso de estradas de terra, esse aspecto pode ser avaliado observando a velocidade de percurso dos condutores. Se as trepidações forem excessivas, causadas por defeitos na superfície de rolamento, o controle sobre o veículo é dificultado. Com isso, deve-se estabelecer valores máximos para a profundidade das ondulações. Desenvolvedores do método, Skorseth e Selim (2000) indicam que esse valor deve estar entre 0,025 m e 0,050 m.
O material escolhido para compor a superf ície da estrada (revestimento primário) deve atender alguma das faixas granulométricas apresentadas no Quadro 1. Para estradas de terra as faixas granulométricas indicadas são D, E e F.
Quadro 1 Granulometria dos materiais. Peneiras Para N > 5 x 10^6 Para N < 5
x 10^6 T o le râ n c ia A B C D E F % em peso passante 2’ 100 100 - - - - 7 1’ - 75-90 100 100 100 100 7 3/8” 30-65 40-75 50-85 60-100 - - 7 N° 4 25-55 30-60 35-65 50-85 55-100 70-100 5
N° 10 15-40 20-45 25-50 40-70 40-100 55-100 5 N° 40 8-20 15-30 15-30 25-45 20-50 30-70 2 N° 200 2-8 5-15 5-15 10-25 6-20 8-25 2 Fonte: DNIT, 2005.
2.7 Dimensionamento do pavimento pelo método de Skorseth e Selim (2000) – SD LTAP
O dimensionamento através do método de Skorseth e Selim (2000) é feito por tentativa e erro, um método mecanístico-empírico. A tentativa inicial consiste em supor uma espessura para o revestimento, e através das variáveis mecânicas do material, do clima e do tráfego, estas tentativas são plotadas em um gráfico de Danos Totais x Espessura de Base. Possibilitando a estimativa de deterioração da via durante o período de vida útil (12 meses). O dimensionamento eficaz é aquele cujo a soma dos danos totais é igua l a um. Quanto mais pontos forem calculados, melhor definida será a curva, resultando em um dimensionamento mais preciso, Guedes et al (2014) sugere que no mínimo quatro tentativas sejam feitas, e traz um roteiro com 10 passos para aplicação do método.
2.7.1 Condições sazionais do subleito e tráfego admissível
Utilizando o quadro de condições do subleito e seu período de durações em meses desenvolvido por Skorseth e Selim (2000) e adapatdo por Gatto e Dalla Roza (2015), foram considerados dois módulos sazionais de resiliência para o subleito, diante da variação de umidade. Adotou-se duas condições, a pirmeira para o subleito seco, durante 5 meses (outono/inverno), e a segunda para o subleito saturado, durante 7 meses (primavera/verão).
Por se tratar de uma estrada de terra, seu tráfego geralmente é classificado como leve, compreendendo um valor anual de 50 x 10³, esse foi o FTP adota para os cálculos. Logo o tráfego sazional para o subleito seco foi de 20,8 x 10³ e para o subleito saturado foi de 29,1 x 10³.
2.7.2 Aplicação do método
Inicialmente é feita a suposição da espessura do revestimento primário, o método permite valores de 10,16 a 40,64 cm. Com a espessura, MR do revestimento primário, MR sazonal do subleito, e os valores admissíveis de PS e CASE, são obtidos o tráfego admissível em dois ábacos.
O primeiro ábaco (Figura 3) determina o tráfego admissível levando em consideração a perda de serventia (PS) da estrada, indicando a necessidade ou não de manutenção da superfície. Nos cálculos foram utilizados ST = 2,0, por se tratar de uma estrada de baixo fluxo de veículos.
A determinação do 𝑁𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑠í𝑣𝑒𝑙 em função do
parâmetro PS é feita pelo seguinte algoritmo: • Espessura da camada de base. • MR do revestimento primário. • MR sazonal do subleito.
• Perda de serventia da superfície da estrada. • Tráfedo admissível antes da necessidade de
manutenção.
Figura 3 - Ábaco de determinação do número de solicitações do eixo padrão com base no parâmetro de perda de
serventia. Fonte: Guedes et al, 2014.
O segunda ábaco (Figura 4) determina o número de solicitações que deteriora de maneira significativa a superfície da estrada, levando em consideração a profundidade das ondulações que surgem na superfície de rolamento (CASE). Com base na biografia, foi adotado CASE = 5,08 cm.
A determinação do 𝑁𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑠í𝑣𝑒𝑙 em função do
parâmetro CASE é feita pelo seguinte algoritmo: • Espessura da camada de base. • Profundidade das ondulações (CASE). • MR sazonal do subleito.
• MR do revestimento primário.
• Tráfedo admissível antes da necessidade de manutenção.
Figura 4 - Ábaco de determinação do número de solicitações do eixo padrão com base na profundidade das ondulações
(CASE). Fonte: Guedes et al, 2014.
Os danos sazonais são determinados pelo quociente do tráfego sazonal com o tráfego admissível. O dano total é a soma dos danos sazonais de cada parâmetro. Através do gráfico de Danos Totais x Espessura de Base (Figura 5) a espessura ideal do pavimento é determinada. A espessura desejada é aquela que resulta em um grau de deterioração igual a 1 (100%). Valores menores que 1 indicam um superdimensionamento, onde a manutenção estipulada nos cálculos não será necessária. Valores maiores que 1 apontam degradação precoce, requerendo manutenção antes do tempo de projeto.
Figura 5 - Danos totais vs espessura. Fonte: Guedes et al, 2014.
3 Metodologia
O fluxograma (Figura 6) apresenta as etapas e metodologias utilizadas na obtenção dos dados da pesquisa.
Figura 6 - Metodologia da pesquisa. Fonte: Os autores, 2019.
3.1 Objeto de estudo
O objeto de estudo dessa pesquisa foi um trecho da Estrada Nanci (Figura 7). A estrada faz a ligação entre a principal área urbanizada e o noroeste do município de Sinop – MT, com aproximadamente 22,5 km de extensão. Tem sua importância por ser uma das rotas para o escoamento da produção agrícola da região, além de ser rota alternativa para o acesso da MT-220.
Figura 7 - Estrada Nanci. Fonte: GOOGLE MAPS, 2019. O trecho de estudo foi escolhido de forma arbitrária, a 2 km do fim do trecho pavimentado, no sentido MT-222 para MT-220. Foram realizados ensaios em 5 pontos, dois no sentido de ida e três no sentido de volta, conforme ilustrado na Figura 8.
Figura 8 - Pontos de ensaio Fonte: Os autores, 2019. 3.2 Caracterização do solo
Foram coletadas amostras deformadas in loco para classificação granulométrica em laboratório, sendo elas, 5 amostras do revestimento primário extraídas durante o ensaio de frasco de areia, e uma amostra do subleito, coletada as margens da pista a uma profundidade de aproximadamente 20 cm.
3.3 Ensaios de frasco de areia e de determinação de umidade
Um dos parâmetros necessários para retroanálise do pavimento é a massa específica aparente. Esse valor foi determinado in situ através do ensaio de frasco de areia seguindo todas as recomendações da NBR 7185:2016. O ensaio foi realizados nos 5 pontos estudados.
Figura 9 - Frasco de areia. Fonte: Acervo pessoal, 2019. Ainda em campo foram coletadas amostras destorroadas que foram armazenadas em cápsulas metálicas para evitar a perda de umidade, o conjunto cápsula, tampa e solo foi pesado. Em laboratório, as amostras foram colocadas na estufa, à temperatura de 105°C, onde permaneceu por 24 horas. Posteriormente a amostra foi resfriada a temperatura ambiente e pesada novamente, com a tampa, por fim o conjunto de cápsula e tampa foi pesado sem o solo. Com as massa obtida, foi determinado o teor de umidade de cada amostra.
Figura 10 - Amostras para determinar o teor de umidade. Fonte: Acervo pessoal, 2019.
Definição do trecho de estudo Ensaios de campo Coleta de amostras Ensaios de laboratório Análise mecanística Dimensionamento do pavimento Conclusão
3.4 Determinação da deflexão do pavimento com a viga Benkelman
A viga Benkelman é utilizada para avaliação estrutural não destrutiva do pavimento através da determinação de suas delfexões. Os processos do ensaio assim como a formulação para o cálculo das deflexões são descritos pela norma DNER-ME 024/94. O modelo utilizado foi uma viga Benkelman analógica.
O ensaio foi realizado com um caminhão de eixo traseiro simples e roda dupla (ESRD), cedido pela Secretaria de Obras e Serviços Urbanos do município de Sinop-MT. Através da aplicação dessa carga foram determinadas as deformações elásticas.
A norma DNER-ME 024/94 indica que o eixo do caminhão dever ser carregado 8,200 kg e os pneus calibrados à pressão 0,56 MPa. Para realização do ensaio o caminhão não teve sua massa determianda e a pressão dos penus não foram aferidas.
Figura 11 - Caminhão de ESRD com a viga Benkelman. Fonte: Acervo pessoal, 2019.
As deflexões foram medidas de 20 em 20m e devido a irregularidade da seção transversal do trecho, optou-se por realizar todas as medições na trilha de roda interna.
3.4.1 Execução do ensaio
Primeiramente o caminhão deve ser posicionado no sentido longitudinal da pista, então a ponta de prova da viga é posicionada entre os pneus da roda dupla, esse será o centro da bacia de deflexão, e alinhada com a trilha de roda.
Então o vibrador é ligado, faz-se a leitura inicial (𝐿0) no
extensômetro. Caso deseje-se obter a bacia de deflexões completas devem ser anotadas deformações elásticas em distâncias intermediárias (𝐿𝑛). A leitura
final (𝐿𝑓) ocorre após o caminhão deslocar-se 10 m do
centro da bacia. Deve-se ressaltar que antes de cada leitura o vibrador deve ser ligado e o extensômetro deve indicar movimento menor que 0,01 mm/min. As deflexões do pavimento são obtidas a partir dos diversos deslocamento anotados durante o ensaio, pelas fómulas:
𝐷0= (𝐿0− 𝐿𝑓) ∗ 𝑎/𝑏 (Equação 3)
𝐷𝑛 = (𝐿𝑛− 𝐿𝑓) ∗ 𝑎/𝑏 (Equação 4)
Onde:
• 𝐷0: deflexão real ou verdadeira no ponto de prova inicial (flecha máxima da bacia de deformação).
• 𝐷n: deflexão correspondente aos deslocamentos intermediários.
• 𝐿0: leitura inicial, em centésimos de mm.
• 𝐿n: leitura intermediária, em centésimos de
mm.
• 𝐿f: leitura final, em centésimo de mm.
• 𝑎 e 𝑏: dimensões dos braços da viga Benkelman.
As medições foram realizadas em 5 pontos, com pontos intermediários de 0,125; 0,25; 0,50; 0,60; 1,00 e 10,00 metros.
3.5 Análise mecanística
Realizou-se analises mecanísticas para obter as respostas estruturais dos 5 pontos estudados. Essa análise foi feita através do software AEMC 2.4. No programa deve-se entrar com os dados de espessura, módulo de resiliência, coeficiente de poisson e peso específico da camada analisada, e selecionar o tipo de carregamento, nessa pesquisa adotou-se o eixo padrão rodoviário (ESRD). Os principais dados para análise mecanística são o módulo de resiliência e a espessura da camada.
No presente trabalho devido à falta de meios para determinar o módulo de resiliência, o mesmo será obtido através da consulta a literatura por materiais da região norte do Mato Grosso. As bibliografias consultadas pata obter o módulo resiliente dos materiais serão a dissertação de mestrado de Dalla Roza (2018), e a dissertação de mestrado de Silva (2003), conforme os quadro 2 e 3.
Quadro 2 - Parâmetros de regressão do modelo composto de MR, solos de textura fina do município de Sinop-MT.
Solo k1 k2 k3 𝑑𝑚á𝑥 (kN/m³) Supermassa 207,60 0,15 -0,40 15,9 Vila Verde 289,00 018 -0,32 15,5 Terra Rica 309,97 0,34 -0,46 16,2 Curitiba 147,52 0,19 -0,56 15,6 Aquarela das Artes 370,71 0,30 -0,45 15,3 Panambi 123,74 0,36 -0,66 14,3 Belvedere 283,04 0,28 -0,49 15,3 4B PN ÓT +1 96 0,35 -0,65 14,6 1A PN ÓT 142 0,38 -0,68 14,4 Fonte: adaptado de Dalla Roza (2018) e Silva (2003). Quadro 3 – Parâmetros do modelo composto de MR,
laterita.
Laterita k1 k2 k3 𝑑𝑚á𝑥
(kN/m³) Sinop 1453,64 0,51 -0,16 19,3
Fonte: adaptado de Dalla Roza (2018).
Para moldar os corpos de prova para o ensaio triaxial, Dalla Roza (2018) compactou as amostras na energia Proctor intermediária e Silva (2003) na energia Proctor normal.
Com as constantes para o cálculo dos módulos de resiliência e a deflexão medida em campo, realizou-se
a retroanálise no software, considerado a estrada composta por duas camadas de solo (subleito e revestimento primário) não aderidas, considerando a mais desfavorável. Foram rodadas sucessivas simulações com suposições da espessura e de camadas com diferentes combinações de solo, até que a deflexão calculada se aproxime-se significativamente dos valores obtidos com a viga Benkelman. Acredita-se que o grau de compactação não é constante para as camadas, a superfície é mais compactada devido a ação do tráfego. Logo o MR da simulação foi considerado com um comportamento não linear. 4 Análise dos resultados e discussão
4.1 Caracterização do solo
O material do subleito apresentou uma curva medianamente uniforme e mal graduada, predominando as frações de areia fina e média. O material coletado na superfície de rolamento também apresentou uma curva medianamente uniforme e mal graduada, com predominância das frações de areia e uma pequena fração de pedregulho. Para melhor vizualização foram elaboradas as curvas granulométricas (Figura 12).
Figura 12 - Curva Granulométrica. Fonte: Os autores, 2019. Analisando o gráfico, e comparando com as faixas granulométricas sugeridas pelo DNIT, o material não apresenta fração de pedregulhos mínima para um revestimento primário.
Provavelmente o material adotado como revestimento primário apresentava granulometria inadequada e não passou por um processo de estabilização granulométrica. Devido a deficiência da composição de agragado graúdo, areia e argila, o material apresentavam m aior vulnerabilidade a sofrer desagregação. Ocasionando, em estações de baixa umidade, a perda de finos em forma de pó e o lançamento de cascalho para fora das trilhas de roda. Como foi possível obervar em campo, a estrada Nanci apresentava pequenas manchas de lateritas em sua superfície, além de ondulações que geravam trepidações desconfortáveis, limitando a velocidade de tráfego e diminuindo o conforto dos usuários.
4.2 Ensaio do de Frasco de Areia
A seguir são apresentados os valores obtidos de massa específica aparente seca do solo in situ e teor de umidade dos solos dos pontos ensaiados.
Tabela 4 - Resultados dos ensaios de frasco de areia e de umidade. Ponto 𝑑 (kN/m³) W (%) 1 14,5 13,33 2 18,0 9,09 3 17,9 6,89 4 19,7 4,16 5 17,9 6,89 Fonte: Os autores, 2019.
Os valores de massa específica dos pontos 1 e 4 destoaram da mediana, que foi 1,80. Optou -se por utilizar a média dos 5 valores, equivalente a 17,6 kN/m³, para os cálculos subsequentes, tanto para o revestimento primário quanto para o subleito.
4.3 Determinação das deflexões
As deformações elásticas foram determinadas sobre o topo do resvestimento primário através do ensaio da viga Benkelman, juntamente com o caminhão de ESRD. A seguir são apresentados os valores das deflexões reais e as bacias de deflexão aferidas nos 5 pontos de estudo.
Tabela 5 - Deflexões Reais do Revestimento Primário Ponto Deflexões (mm) 1 0,660 2 0,640 3 0,680 4 0,780 5 0,620 Média (mm) 0,670 Mediana (mm) 0,660 Desvio padrão (mm) 0,060 Fonte: Os autores, 2019.
Com as deflexões intermediárias e fazendo uso da equação 4, foram determinadas as bacias de deflexão (Figura 13). 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 0 20 40 60 80 100 D e fl e x ã o (m m )
Distância do centro da bacia (cm)
Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 Ponto 4 Ponto 5 Média
Figura 13 - Bacias de deformação. Fonte: Os autores, 2019. Ao comparar as deformações obtidas na estrada Nanci com as do trecho experimental feito por Nervis (2016), constata-se que as mesma condizem com o esperado, sendo até menores que as encontradas pelo autor. Uma hipótese para esse comportamento é a baixa fração de pedregulhos da estrada Nanci, pois a deflexão média (0,67 mm) foi muito próxima a
0,00% 20,00% 40,00% 60,00% 80,00% 100,00% 0,01 0,1 1 10 100 P o rc en ta ge m p a ss a n te
Diâmetro das partículas (mm)
encontrada por Nervis (2016) sobre a camada argilosa abaixo do revestimento primário (0,70 mm), o autor encontrou uma deflexão média de 0,84 mm sobre a superfície de rolamento.
4.4 Análise mecanística
Com as deflexões e o peso específco determinados por ensaios in loco, juntamente com as constantes para o cálculo do MR encontradas na literatura, possibilitou-se a retroanálise no software AEMC. Analisou-se todas as possibilidades de combinação dos solos finos de Sinop-MT com as lateritas e também a possibilidade do subleito e do revestimento primário serem compostos pelo mesmo solo fino.
Durante o processo de simulações, adontando uma camada de laterina e outra de solo fino, notou-se a necessidade de adotar o solo fino com o menor MR possível para atingir valores de deflexões semelhantes as medidas em campo. Os demais solos, mesmo quando simuladas suas deflexões sem a camada de laterita, apresentavam desempenho superiores aos medidos in loco.
Foram rodadas diversas simulações das possíveis combinações de solo, e variando a espessura do revestimento prim ário de 2,5 em 2,5 cm, de forma que a deflexão da simulação aproxima-se de 0,670 mm. Os 4 perfis ilustrados abaixo apresentaram deformações semelhantes as obtidas na estrada Nanci:
Figura 14 - Possíveis composições estruturais da estrada – espessura do revestimento primário em centímetros. Fonte:
Os autores, 2019.
Com as configurações de camadas representadas na Figura 14 alcançou-se os seguintes valores deflexão e módulo de resiliência.
Tabela 6 - MR e deflexões obtidas por retroanálise Perfil MR Subleito MR Revestimento primário Deflexão calculada MPa MPa mm 1 119 379 0,637 2 130 289 0,642 3 140 123 0,632 4 137 160 0,657 Fonte: Os autores, 2019.
4.5 Dimensionamento pelo método de Skorseth e Selim (2000)
Para aplicação do método, os valores dos módulos de resiliência foram convertidos para psi considenrando 1 psi = 6894,76 Pa.
Com os valores do tráfego sazonal, tráfego admissível para o critéiro CASE e o critério PS, além dos MR do subleitos e revestimento primário, os perfis foram calculados e as espessuras adotas corresponderam ao somatório total dos danos igual a um. Sempre adotando a maior espessura corresponde entre os critério CASE ou PS.
Na Tabela 7 são apresentados os valores alcançados, já convertidos de pol para cm, considerando 1 pol = 2,54 cm.
Tabela 7 - Espessura calculada para o revestimento primário Perfil Espessura (cm) 1 26 2 27 3 - 4 - Fonte: Os autores, 2019.
Os perfis de camadas 3 e 4 não puderam ser dimensionados, pois mesmo adotando a espessura máxima do método de 16 pol, equivalente a 40,64 cm, não foi possível obter valores de danos totais menores ou iguais a um. Para a possibilidade de dimensionamento com solos finos, o critério de profudidade admissível de ondulações na superfície da estrada deve ser maior que os 5,08 cm .
Além dos 4 perfis apresentados, diversos outros foram simulados, usando lateritas de outros municípios do Mato Grosso e outros solos finos de Sinop-MT. Observando os resultados constatatou-se que o material utilizado como revestimento primário em estradas de baixo fluxo, sujeitas a um 𝑁 = 50 ∗ 103 deve possuir 𝑀𝑅 ≥ 25000 𝑝𝑠𝑖, equivalente a 172 MPa. Caso contrário não atende o critério CASE.
5 Conclusão
No que se refere ao dimensionamento de estradas de terra, percebe-se uma carência de técnicas para escolha dos materiais, das soluções adotadas e do adequado lançamento e compactação do solo. Refletindo em estradas de pouca durabilidade e baixo conforto para o usuário. Como observado na estrada Nanci, que apresentava uma superfície de rolamento irregular com trepidação excessivas do veículo. O material coletado na superfície da estrada não condizia com os requisitos de granulometria para revestimento primário e as 4 hipóteses de perfis estruturais da estrada obtidas pela retroanálise estavam subdimensionadas se comparadas ao método de Skorseth e Selim (2000).
Além disso, constatou-se a inviabilidade no uso de solos finos para base de estradas não pavimentadas, pois, apesar de apresentarem deformações elásticas semelhantes a combinação de solo fino com laterina, a estrutura apresentará uma deterioração precoce da superfície de rolamento. Ademais, existe a necessidade de um MR mínimo de 172 MPa para o material de base, de forma que os critérios de serventia e de condição de superfície sejam satisfeitos. O método se apresenta como uma alternativa viá vel para dimensionamento técnico de estradas de terra. Sua aplicação é simples, e os valores obtidos são
factíveis, porém caso não seja possível a realização do ensaio triaxial, correlações serão necessárias. Para estudos futuros, sugere-se o levantamento das deflexões em uma estrada que esteja em processo de execução, de forma que as deformações do subleito possam ser medidas separadas das deformações da estrutura da pista acabada, tornando os cálculos mais precisos. Outra sugestão é a construção de um trecho experimental como realizado na pesquisa de Nervis, que pode render diversos estudos e produções científicas. E por fim o ensaio de durabilidade dos solos por molhagem e secagem.
Agradecimentos
Primeiramente a Deus, pela sua misericórdia e amor. A minha família, em especial ao meu pai, Rudi, minha mãe, Soeli e ao meu irmão, Bruno, por todo amor, incentivo e cuidado durante toda minha vida. A Gabriela por todo companheirismo, carinho e cuidao. Aos amigos que dividiram comigo as aflições da graduação e os momentos de alívio e descontração nesses últimos 5 anos, em especial a Isabella e ao Kássio.
Ao Prof. Crispim pela orientação da pesquisa, conhecimento e ideias compartilhadas. A UNEMAT e aos professores dedicados que tive durante a gradução.
A Secretaria Municipal de Obras e Serviços Urbanos, juntamente com seu secretário, por fornecerem o caminhão. E a todos que me forneceram materiais e ferramentes necessárias para realização dos ensaios. Referências
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